楊彩云,胡 穩(wěn),黃 勇

(1.貴州省第三測繪院,貴陽 550000; 2.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100000; 3.中科綠洲(北京)生態(tài)工程技術(shù)有限公司,北京 100000)

0 引言

世界上最大的喀斯特集中分布在以我國貴州省為中心的西南地區(qū),面積約55萬km2,占全國喀斯特面積的15.97%[1-2]。貴州喀斯特地區(qū)地質(zhì)災害具有分布廣、突發(fā)性強、類型多等特點[3-5]?！吨袊鴼庀鬄暮Υ蟮洹?貴州卷)[6]統(tǒng)計顯示,1952—2000年,貴州滑坡、泥石流災害引起的經(jīng)濟損失達4.4億元,毀壞房屋2 847間,受災戶數(shù)5 688戶,受災人數(shù)24 298人,其中死亡人數(shù)610人,受傷人數(shù)122人,傷亡人數(shù)10人,破壞農(nóng)田或耕地4.96萬畝,糧食損失0.85 t,家畜死亡282頭。截至2006年,六盤水市共有地質(zhì)災害點1 043處[7]。2007—2015年,銅仁市共發(fā)生地質(zhì)災害820起,直接經(jīng)濟損失近9 000萬元[8]。

研究顯示,地質(zhì)災害多發(fā)生在碳酸鹽區(qū)域[9]。貴州省的碳酸鹽巖中,約有34.6%的不純碳酸鹽巖區(qū)域,其喀斯特發(fā)育特征與普通喀斯特有著明顯的區(qū)別[10]。胡鋒[11]等提出亞喀斯特概念,即發(fā)育在不純碳酸鹽巖及碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖夾層之上的一種過度地貌形態(tài),介于純喀斯特與非喀斯特之間,由巖性決定。近些年,關(guān)于喀斯特區(qū)域的地質(zhì)災害敏感性評價[12-15]及影響因素[16-17]研究較多,涉及多種相關(guān)因子,如氣候、區(qū)域地質(zhì)條件、地質(zhì)災害、地球化學、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、地質(zhì)環(huán)境破壞速率、人類活動等7個評價要素及相應的18個評價因子常被選為地質(zhì)災害敏感性評價指標體系構(gòu)建中[18],但關(guān)于不同喀斯特類型區(qū)對地質(zhì)災害的影響研究較少。

對貴州省3種不同喀斯特類型區(qū)進行地質(zhì)災害敏感性評價及等級劃分,統(tǒng)計地質(zhì)災害敏感性在3類喀斯特類型區(qū)內(nèi)的面積占比,以10 km格網(wǎng)為對象,對每個格網(wǎng)中的喀斯特類型區(qū)(非喀斯特、亞喀斯特和純喀斯特)面積占比與各地質(zhì)災害敏感性面積占比進行分級,分析兩者的相關(guān)性,從而分析喀斯特類型區(qū)與地質(zhì)災害的關(guān)系。為豐富喀斯特地區(qū)地質(zhì)災害研究、合理指導地質(zhì)災害預防及治理提供參考。

貴州省喀斯特地貌分布范圍大,屬于高原山地地貌,地勢西高東低,自中部向北、東、南三面呈階梯式傾斜,平均海拔1 100 m左右,高原山地居多,主要有高原、山地、丘陵及盆地4種地貌類型。碳酸鹽巖出露面積大、分布連續(xù),有自震旦系到三疊系的古老碳酸鹽巖地層[19]。貴州省林業(yè)資源豐富,2016年全省森林覆蓋率達到52%。調(diào)查顯示,貴州省石漠化面積約為3.7萬km2,主要分布在六盤水、黔西南、黔南、安順、畢節(jié)等所在的喀斯特地區(qū)的南部和西部[20]。

1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)貴州省地理環(huán)境與氣候條件,選擇小流域面積、土壤保持量、高程、離斷層線距離、基巖裸露率、土地利用類型、植被覆蓋度、地形起伏度、坡度等9個因子,對貴州北盤江流域進行地質(zhì)災害敏感性評價,采用自然斷點法,將每個評價因子分為5個等級,數(shù)值越大,代表該因子對敏感度影響越大。

坡度、地形起伏度、高程、小流域面積等數(shù)據(jù)是基于貴州北盤江流域的DEM數(shù)據(jù),利用ArcGIS表面分析功能、柵格計算器及水文分析工具分別提取出來。植被覆蓋度是基于貴州北盤江流域內(nèi)2015年的Landsat TM /ETM影像,借助ENVI軟件提取出來。土地利用類型采用非監(jiān)督分類方法,結(jié)合植被指數(shù)、紋理、像元亮度、像元大小等指數(shù)提取出來,分為林地、灌木、草地、濕地、耕地、建設用地及裸地等類型。斷層線分布數(shù)據(jù)來源于國土資源科學數(shù)據(jù)共享中心地址調(diào)查分中心。純喀斯特、亞喀斯特及非喀斯特類型區(qū)的劃分依據(jù)胡鋒[11]等提出的亞喀斯特發(fā)育程度的巖性屬性,包括不純碳酸鹽巖(如泥質(zhì)石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖)、碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖夾層兩類。土壤保持量數(shù)據(jù)基于2015年的降水、土壤、高程等數(shù)據(jù),運用通用土壤流失方程(RUSELE)估算出來?；鶐r裸露率計算采用遙感反演獲取[21],將單個像元作為計算分析的基本單元,計算出每個單元的植被覆蓋度及土壤裸露率,而基巖裸露率為減去以上兩個數(shù)據(jù)的結(jié)果。

2 研究方法

2.1 層次分析法確定指標權(quán)重

評價指標因子權(quán)重的方法有很多,而層次分析法可建立多級評價模型,能充分地將專家的經(jīng)驗判斷量化,效果較好,可把復雜問題中的各因素指標層次化、條理化及有序化,根據(jù)客觀條件進行模糊判斷,定量化表示每一層次各因素指標的重要性,利用數(shù)學方法確定指標因子的相對重要性次序的權(quán)重[22-23]。

以地質(zhì)災害敏感性為目的層,地形地貌、地質(zhì)及環(huán)境3個因子為準則層,各子系統(tǒng)中的指標要素為基礎層,構(gòu)建評價指標的層次結(jié)構(gòu)。依據(jù)評價指標對研究區(qū)地質(zhì)災害的影響程度,利用專家打分法給每個指標打分,指標分值越高,表示指標的相對重要性越大[24-25]。通過對地質(zhì)災害敏感性評價指標的兩兩比較,得到指標的兩兩判斷矩陣,利用層次分析法計算出各評價指標的權(quán)重,如表1所示。

表1 地質(zhì)環(huán)境評價指標判斷矩陣及權(quán)重Tab.1 Judgment matrix and weight of geological environment evaluation index

2.2 數(shù)學模型與綜合評價

利用加權(quán)平均法計算出地質(zhì)災害敏感度,根據(jù)地質(zhì)災害敏感度劃分出貴州北盤江流域地質(zhì)災害敏感性,如式(1):

式中:St為地質(zhì)災害敏感性評價指數(shù),Wi為第i個評價指標的權(quán)重,Fi為第i個評價指標圖層,n為評價指標的個數(shù)。

運用Arcgis的重分類功能,對評價出來的地質(zhì)災害敏感性評價指數(shù)St按照自然斷點法,將其分為不敏感(St<3.795 8)、輕度敏感(3.795 8≤St<4.470 6)、中度敏感(4.470 6≤St<5.068 4)、敏感(5.068 4≤St<5.719 6)及極度敏感(St>5.719 6)5種敏感性,得到貴州北盤江流域地質(zhì)災害敏感性圖,如圖1所示。

圖1 貴州省地質(zhì)災害敏感性圖Fig.1 Geological hazard sensitivity in Guizhou Province

3 評價結(jié)果與分析

3.1 貴州省喀斯特類型區(qū)分布狀況

將喀斯特類型區(qū)進行劃分,得到分布范圍,如圖2所示。純喀斯特分布范圍廣,在貴州省各地州市均有分布,主要集中在黔西南州的西南部、中部和北部,畢節(jié)的西部和東部,六盤水、安順、貴陽的大部分區(qū)域及黔南州的西部、北部和東南部,黔東南州的西北部,遵義的南部,銅仁的東部。亞喀斯特分布相對零散,在各地州市均有分布,相對集中于畢節(jié)的中部,黔南州南部的部分地區(qū),安順的東部及遵義的中部與北部。非喀斯特相對集中分布在黔東南州,遵義的西北部與東北部地區(qū)及黔西南州的東部,其余相對零散地分布在各地州市。對3類喀斯特類型區(qū)的分布面積進行統(tǒng)計,如表2所示。由此可知,喀斯特區(qū)域占貴州省面積的61.57%。

圖2 貴州省3類喀斯特類型區(qū)的空間分布Fig.2 Distribution of 3 types of Karst in Guizhou Province

表2 貴州省三類喀斯特類型區(qū)面積及占比Tab.2 Area and ratio of 3 types of Karst in Guizhou Province

3.2 喀斯特類型區(qū)地質(zhì)災害敏感性狀況

分析地質(zhì)災害敏感性狀況可以看出,各等級面積從總體上表現(xiàn)為中度敏感>敏感>輕度敏感>極敏感>不敏感,敏感和極敏感區(qū)域占貴州省總面積的36.8%,88.11%的區(qū)域存在一定程度的地質(zhì)災害敏感。

從不同喀斯特典型區(qū)域來分析地質(zhì)災害敏感性的分布狀況,可以看出,非喀斯特區(qū)域表現(xiàn)為中度敏感>輕度敏感>敏感>不敏感>極敏感,亞喀斯特區(qū)域表現(xiàn)為中度敏感>敏感>輕度敏感>不敏感>極敏感,而純喀斯特區(qū)域表現(xiàn)為敏感>中度敏感>輕度敏感>極敏感>不敏感,如圖3所示。非喀斯特、亞喀斯特和純喀斯特3種喀斯特典型區(qū)域內(nèi)主要的地質(zhì)災害敏感性在增加。

圖3 3類喀斯特類型區(qū)地質(zhì)災害敏感性統(tǒng)計結(jié)果Fig.3 Statistics of geological hazard sensitivity of 3 types of Karst regions

具體的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。非喀斯特區(qū)域中,地質(zhì)災害敏感性為敏感或極敏感的區(qū)域分布面積占比分別為22.92%、9.04%。亞喀斯特區(qū)域中,地質(zhì)災害敏感性為敏感或極敏感的區(qū)域分布面積占比分別為24.71%、11.36%。純喀斯特區(qū)域中,地質(zhì)災害敏感性為敏感或極敏感的區(qū)域分布面積占比分別為26.11%、15.55%。以上結(jié)果均表現(xiàn)出純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特的特征。

表3 貴州省地質(zhì)災害敏感性綜合評價統(tǒng)計表Tab.3 Comprehensive assessment statistics of geological hazard sensitivity in Guizhou Province

3.3 喀斯特類型區(qū)與地質(zhì)災害敏感性相關(guān)性

地理格網(wǎng)是一種依據(jù)統(tǒng)一規(guī)則,將地理空間進行連續(xù)分割,使空間不確定性控制在統(tǒng)一范圍內(nèi)的系統(tǒng),便于對地理數(shù)據(jù)的采集與分析。以10 km格網(wǎng)為對象,計算貴州省3類喀斯特類型區(qū)(非喀斯特、亞喀斯特和純喀斯特)面積占比與各地質(zhì)災害敏感性面積占比,并分級處理,具體分級標準如表4所示。采用IBM SPSS Statistics 22社會科學統(tǒng)計軟件進行偏相關(guān)分析,結(jié)果如表5所示。

表4 三類喀斯特類型區(qū)面積占比和地質(zhì)災害敏感性面積占比分級Tab.4 3 types of Karst region ratio and geological hazard sensitivity area grading

表5 貴州省三類喀斯特類型區(qū)與地質(zhì)災害敏感性偏相關(guān)分析Tab.5 Partial correlation analysis between 3 types of Karst and geological hazard sensitivity in Guizhou

非喀斯特區(qū)與輕度敏感、中度敏感區(qū)呈正相關(guān),與敏感、極敏感區(qū)呈負相關(guān)。純喀斯特區(qū)與輕度敏感、中度敏感區(qū)呈負相關(guān),與敏感、極敏感區(qū)呈負相關(guān),且均通過置信度為99%的顯著性檢驗,但相關(guān)性較低,其中非喀斯特區(qū)和純喀斯特區(qū)與中度敏感性的相關(guān)性最高,分別為0.355、0.305,其次為輕度敏感性。處于非喀斯特與純喀斯特之間的亞喀斯特則未表現(xiàn)出一定的相關(guān)性規(guī)律。由此規(guī)律可以看出,越典型的喀斯特類型在一個區(qū)域內(nèi)的占比越大,該區(qū)域高敏感區(qū)占比越大,即地質(zhì)災害敏感性與喀斯特類型存在關(guān)聯(lián)性,這種關(guān)聯(lián)性強弱表現(xiàn)為純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特。較低的相關(guān)性說明喀斯特類型對地質(zhì)災害敏感性具有較小的影響。

4 討論

目前,已有的研究主要集中于區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災害敏感性評價,還有關(guān)于不同喀斯特類型區(qū)地表地貌特征、植被特征等研究。通過對三大喀斯特類型區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害敏感性面積占比進行統(tǒng)計及對比,得出地質(zhì)災害敏感性為敏感或極敏感的區(qū)域分布面積占比表現(xiàn)出純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特的特征。以10 km格網(wǎng)為對象,對三大喀斯特類型區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災害敏感性面積占比分級進行相關(guān)性分析,得出地質(zhì)災害敏感性與喀斯特類型區(qū)存在關(guān)聯(lián)性,這種關(guān)聯(lián)性強弱表現(xiàn)為純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特。兩種方法得到的結(jié)果一致,均達到了預期效果,說明喀斯特越典型,地質(zhì)災害敏感性越高。在相關(guān)性分析中顯示,喀斯特類型區(qū)與地質(zhì)災害敏感性的相關(guān)性低,說明喀斯特類型對地質(zhì)災害敏感性具有較小的影響。

非喀斯特主要分布在非可溶性鹽巖或埋藏型碳酸鹽巖之上,難于被溶蝕,土層厚度大,植被覆蓋度高,土地利用價值大,生態(tài)效應積極作用明顯,地貌類型主要以緩坡、盆地及平地為主,地形起伏度小。亞喀斯特主要發(fā)育在不純碳酸鹽巖及碳酸鹽巖非碳酸巖夾層之上,巖石中泥質(zhì)成分及酸不溶物占比高,溶蝕速度相較于純喀斯特區(qū)域慢,成土速率相對高,往往擁有較厚的土層,植被覆蓋度較高,土地利用價值較大,生態(tài)效應較好。亞喀斯特區(qū)域地下溶洞發(fā)育程度低,地下洞穴分布少,地貌類型以丘陵、丘陵谷地、洼地、盆地和中山為主,平均坡度在15°左右,地形起伏度相對較緩。純喀斯特主要發(fā)育在純碳酸鹽巖之上,巖石中泥質(zhì)、酸不溶物等雜質(zhì)含量較少,溶蝕速度快,成土速率緩慢,往往擁有很薄的土層,甚至是基巖裸露,形成石漠化,植被覆蓋度低,生態(tài)環(huán)境脆弱。因為純喀斯特區(qū)域碳酸鹽純度高,易于被溶蝕、侵蝕等,地貌發(fā)育強烈,擁有峰叢、峰林、洼地、槽谷、溶洞、暗河、豎井等喀斯特景觀。